Процессы самоочищения в водоеме.

Самоочищение водоемов обусловливается рядом факторов. Условно их можно разделить на физические, химические и биологические.

Физические факторы. Самоочищение речной воды происходит в результате разбавления ее чистой водой и свежими притоками. В связи с этим снижается концентрация органических веществ в воде, создаются неблагоприятные условия для размножения микробов. Оседание в воде нерастворимых органических и неорганических частиц, а вместе с ними и бактерий, губительное действие ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы способствуют самоочищению водоема.

Химические факторы. Бактериостатическое и бактерицидное действие на микроорганизмы оказывают соли серебра, меди, галогенов (иод, бром и др.), NaCl, растворенные в воде, рН, а также окисление органических и неорганических веществ в водоеме.

Биологические факторы. Огромная роль в самоочищении водоемов принадлежит биологическим факторам, действие которых обусловлено сложными взаимоотношениями гидробионтов. Гидробионты— растительные и животные организмы, приспособленные к жизни в водной среде. К ним относятся микробы, зеленые водоросли, простейшие, бактериофаги и др.

Взаимоотношения водных обитателей могут складываться в виде симбиоза или антагонизма. В конечном результате эти взаимовлияния приводят к самоочищению водоема.

Загрязнение водоемов сточными водами, отходами промышленных предприятий обусловливает усиленное размножение сапрофитных микробов, которые расщепляют сложные органические соединения до простых минеральных (СО2, МН_з) и делают их доступными для питания автотрофных организмов (нитрифицирующих, серои железобактерий, водорослей). Основная роль в удалении из водоемов растворимых веществ принадлежит микробам.

Зеленые водоросли и некоторые бактерии — обитатели рек, озер, морей — вырабатывают антибиотические вещества, губительно действующие на попавших в водоемы микробов, среди которых могут быть возбудители инфекционных болезней человека или животных. Морская вода обладает вирулицидным действием на энтеро-вирусы. Отдельные виды морских бактерий обладают антагонистическими свойствами по отношению к стафилококку, кишечной палочке.

Простейшие поглощают из водоемов коллоиды, взвеси и микробов, в том числе и патогенных. Одна инфузория за 1 ч переваривает до 30000 микробов. Погибшие простейшие и водоросли в свою очередь служат пищей для сапрофитных бактерий.

Бактериофаги вызывают лизис (растворение) гомологичных бактерий (например, дизентерийный фаглизирует дизентерийную бактерию; сибиреязвенный фаг — возбудителя сибирской язвы и т. д.) и способствуют очищению водоемов от патогенных микробов. Бактериофагов обычно обнаруживают в загрязненной речной и морской воде вблизи населенных пунктов.

Механизм антимикробного действия перечисленных гидробионтов неодинаков: от прямого поглощения бактерий до их лизиса или выделения в водоем антибиотических веществ.

В самоочищении водоема участвуют все гидробионты, тем не менее основная роль принадлежит водной микрофлоре, количественный и качественный состав которой меняется в зависимости от содержания в воде органических веществ.

Степень загрязненности водоема называется сапробностью и характеризует особенности водоема: определенная концентрация органических веществ, соответствующая стадия их минерализации, условия развития и состав микроорганизмов. Различают три основные зоны сапробности: полисапробная, мезосапробная, олигосапробная.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения)— вода загрязнена органическими веществами, число микроорганизмов достигает нескольких миллионов в 1 мл, при этом преобладают кишечные и анаэробные гнилостные бактерии, обусловливающие процесс гниения и брожения.

Мезосапробная зона (зона умеренного загрязнения) характеризуется минерализацией органических веществ с преобладанием окислительных процессов и выраженной нитрификацией. Количество бактерий в 1 мл воды составляет сотни тысяч, причем содержание коли-бактерий значительно уменьшается.

Олигосапробная зона (зона чистой воды) обычно не содержит органических веществ. Количество бактерий в 1 мл воды составляет десятки, сотни, преобладают серо-и железобактерии.

Таким образом, наличие определенного количественного и качественного состава микроорганизмов в различных зонах санпробности характеризует активность процесса самоочищения водоема.

Самоочищение водоемов

Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения. Самоочищение представляет собой сложный комплекс физических, физико-химических, химических и биохимических явлений.

Гидродинамические процессы смешения стока с водой водоема во многом определяют интенсивность самоочищения, так как понижают концентрацию загрязнений. К числу физических факторов самоочищения относятся также процессы осаждения нерастворимых примесей, поступающих в водоем со сточными водами. Физические явления осаждения тесно связаны с жизнедеятельностью гидробионтов — фильтраторов и седиментаторов. Они извлекают из воды огромные количества взвешенных веществ и выбрасывают непереваренный материал в виде фекальных комочков, легко оседающих на дно. Еще большее значение имеет процесс образования моллюсками псевдофекалий. Таким образом, гидробионты ускоряют процессы осаждения, способствуя очистке воды от взвешенных веществ иx осаждению их в донные отложения.

В водоеме протекают и чисто химические реакции нейтрализации, гидролиза, окисления. Например, при самоочищении от ионов Fe, Mg, Al преобладающим процессом является реакция образования гидроксидов этих металлов с последующим их осаждением.

Самоочищение от ионов тяжелых металлов происходит за счет целого ряда процессов: соосаждения с гидроксидами перечисленных выше металлов, сорбции ионов органическими коллоидами, образования сложных металлоорганических комплексов с гуминовыми кислотами. Доля участия каждого из этих процессов в удалении тяжелых металлов зависит от рН, окислительно-восстановительных условий в водоеме, концентрации металлов. В результате вода освобождается от тяжелых металлов, а в донных отложениях происходит их накопление. Изменение окислительно-восстановительных условий в донных осадках может привести к переходу ионов металлов в водный слой, т.е. к вторичному загрязнению воды.

Минерализация органических загрязнений происходит главным образом за счет биохимических процессов, протекающих с участием разнообразных гидробионтов. Биохимические превращения в водоемах осуществляются как в водной среде, так и в донных отложениях.

Главенствующую роль в окислении растворенных органических веществ играют бактерии. Поступление в водоем органических загрязнений вызывает в нем бурное развитие сапрофитных бактерий. При этом видовой состав бактериального населения определяется характером внесенных загрязнений. В воде развиваются виды, способные использовать те или иные внесенные вещества в качестве источников питания.

Постепенное истощение запасов питательных веществ приводит к уменьшению числа бактерий. Снижение числа бактерий происходит и за счет поедания их представителями зоопланктона (простейшими, коловратками, ракообразными), которые, удаляя из воды коллоиды и мелкие взвешенные вещества, одновременно уничтожают и бактерии.

Органические вещества, как внесенные извне, так и образовавшиеся в результате отмирания фитои зоопланктона, частично оседают на дно. В донных отложениях процессы минерализации протекают столь же интенсивно, как и в водном слое. В этих процессах принимают участие бактерии, черви, моллюски, простейшие, личинки насекомых.

Процессы минерализации заметно усиливаются, если в водоеме присутствуют макрофиты. На стеблях и листьях водных растений обильно развиваются организму перифитона, принимающего участие в окислении органических веществ. В зарослях макрофитов бентос, как правило, более богат разнообразными организмами — минерализаторами. Макрофиты стимулируют процессы аэробного биохимического разложения органических веществ, выделяя в воду значительные количества кислорода. Кроме того, установлено, что в присутствии макрофитов интенсифицируется деятельность многих бактерий, в частности нефтеокисляющих. Объясняется это явление выделением макрофитами в среду метаболитов, стимулирующих обменные процессы у бактерий.

В процессах самоочищения принимает участие комплекс биоценозов, образованных различными гидробионтами. Большинство из них принимает непосредственное участие и в освобождении водоема от бактериальных загрязнений, в том числе от патогенных микробов. Механизм антибактериального действия гидробионтов достаточно разнообразен. Одни из них поглощают бактерии в качестве питания, другие вызывают лизис клетки, третьи выделяют в среду бактерицидные вещества. Между бактериальным населением и другими гидробионтами складываются взаимоотношения разного типа. Преобладающими среди них помимо пищевых являются метабиоз и антагонизм.

Антагонистические отношения между водорослями и бактериями обусловлены несколькими причинами. Это может быть конкуренция за источники азотного питания или то обстоятельство, что в процессе фотосинтеза водоросли подщелачивают среду до рН = 9. Кроме того, многие водоросли (например, зеленые водоросли Chlorella и Scenedesmus) выделят в среду вещества (метаболиты), обладающие бактерицидным действием. Установлено, что бактерицидное действие зеленых водорослей распространяется и на бактерии группы Coli, и на возбудителей многих кишечных инфекций. В уничтожении патогенных бактерий принимают участие н бактериофаги.

В водоемах с богатым микронаселением болезнетворные микробы гибнут скорее, чем в водоемах с незначительным количеством гидробионтов. Объясняется это действием антагонистических отношений между бактериями и другими микроорганизмами.

В зимних условиях процессы бактериального самоочищения протекают медленнее, и патогенная микрофлора сохраняется в воде дольше, так как биологические факторы самоочищения при пониженных температурах действуют с малой интенсивностью.

Биохимическая деятельность гидробионтов является доминирующим процессом в самоочищении водоема. Но среди гидробионтов немало организмов, массовое развитие которых может принести и значительный вред.